淺談LED防爆燈照明技術與光輻射標準的評判及測量

(華榮科技股份有限公司,上海 201808)

1 引言

改革開放以來，我國經濟發展取得了巨大成就，尤其是電力，冶金，石化等行業得到了快速發展，造就了煤炭、石油、化工行業經營狀況良好和飛速發展。同時，煤炭、石油、化工行業對安全生產和生產效率越來越重視，在許多易燃易爆場所的操作室、生產車間、倉庫等需要良好的照明環境才能保證正常的生產和工作。防爆燈具的光源先后經歷了白熾燈、熒光燈、高強度氣體放電(HID)燈三個時代。同時隨著照明技術的發展，特別是LED照明光源的出現，LED作為第四代新光源,具有優越的節能環保、壽命長、高顯色性、能見度高、瞬時啟動、安全可靠、耐振動及體積小等優點，并能在寬電壓范圍下驅動燈亮，實現從純白色到接近日光色的色溫[1]。LED照明被譽為21世紀之光，正推動著第四波照明革命。

LED照明因為節能、環保的優勢將占據照明市場的主導地位。但是由于LED燈具亮度高，輻射能量大，其光輻射引起點燃的可能性也更大[2]。隨著國際國內光輻射研究的深入以及各種光輻射標準的制定,LED防爆燈光源的光輻射安全問題越來越為人們所關注。目前世界上許多國家或地區都在不斷完善LED防爆燈光輻射安全性要求、光輻射的安全標準和探討光輻射危害。對各種光源尤其是LED防爆燈進行光輻射檢測和評估將成為一種趨勢。

國際電工委員會IEC TC31工作組于2006年發布了IEC 60079-28標準，并于2015年對該標準進行了更新。目前，ATEX和IECEx認證對部分LED防爆燈具的光輻射檢測已是強制要求，但國內防爆認證對于光輻射還未作要求，爆炸危險環境光輻射系統的國家標準正在推出[3]。

2 LED防爆燈具有如下性能特點

(1)高效節能，在同樣照明效果的情況下，其耗能遠低于白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等傳統光源，僅為熒光燈的二分之一，白熾燈的十分之一；相同照明效果比傳統光源節能60%以上。

(2)超長壽命。LED光源平均使用壽命一般為50000～100000小時；整燈平均使用壽命一般為50000小時以上； 極大地降低了燈具的維護費用,避免在石油開采等檢修更換困難的特殊場所經常換燈要拉閘停電等一系列的麻煩。

(3)固體發光，抗震性能好，耐沖擊，牢固可靠， LED被完全封裝在環氧樹脂或硅膠里面，燈體內沒有松動的部分，使得LED不易損壞。

(4)免維護，綠色環保，光源中不含有汞、鈉等有害金屬元素，光譜中沒有紫外線和紅外線，熱量低，無頻閃，容易回收，不會對環境造成污染，屬于典型的綠色照明光源。

(5)有很強的發光方向性，光通量利用率高，且體積小， LED防爆燈具易于外觀設計和光強分布的控制。

(6)可采用直流低壓供電，安全可靠。

(7)不受啟動溫度限制，可瞬態啟動，一般為幾個ms，且能瞬態達到全光通量輸出。

(8)光色柔和,無眩光,配光簡單:LED封裝時可以做成色溫不同的顏色,色溫范圍廣可以根據用戶要求在3700～8000K 之間靈活選擇。LED顯色指數可達70以上,燈具發光顏色更接近于自然光。

3 LED光源在工業照明防爆燈中的應用

由于LED光源的諸多優點,LED照明已經在安全生產的區域中得到了廣泛的應用,并發揮了不可替代的作用,像LED路燈、LED泛光燈、LED工礦燈、支架式LED燈管等已經得到了普及。近年來LED防爆燈具在防爆領域被廣泛應用。對石油開發，煉油，化工等爆炸性危險環境的場所的節能,提高安全生產,降低成本具有重大意義。

目前,工業照明防爆燈中所使用的LED光源主要分為兩大類：單芯片(single die)獨立封裝和多芯片陣列(multi-die array)集成封裝。

單芯片獨立封裝的LED功率較小，目前在1～5W居多，其中1W的應用最多。單個功率較小的LED應用靈活，可以通過光學設計得到理想的照明效果，但是單個光源的總光通量輸出量較小，如果要做成大功率燈具，必須要數十個甚至一百多個1W的LED,這個排布對光源的散熱是有利的，不利之處是產品零件較多，導致產品結構復雜化，產品的重量和安裝成本增加。

相比之下，采用多芯片陣列集成封裝(COB)，將多個芯片封裝在同一個光源模塊中提高單一光源的總輸出光通量，有效的降低了LED燈具的設計制造難度，目前，各個廠商生產了不同規格的COB光源，有圓形，方形，長條形等以滿足不同的應用需求，在單個光源模塊中集成的芯片數量從數十到幾百個不等，單一光源輸出的光通量可以達到數百流明至數千流明。如CREE的XLamp CXA 1816/1820，在驅動電流在分別在450mA,550mA時光通量可以達到2100lm和2600lm。集成式LED結構緊湊，便于安裝更換，然而由于熱量集中，散熱比較困難，如果散熱不充分，會導致LED的結溫過高，影響光效和使用壽命。

LED的固有安全特性是指利用LED的功率或能量超標引發的故障保護功能，防止潛在爆炸性環境中有超強的光輻射強度。其基本原理是流經LED的電流過大會引起LED光通量衰減，導致其光輻射強度下降，同時，由于LED的熱效應，在LED的發光功率上升至一定程度會導致LED發生故障而自動熄滅[4]。

同時，出于亮度考慮，一般將多顆固有安全型LED排布成陣列，形成LED燈具的光源。LED陣列有串聯連接、并聯連接和串并聯組合連接三種方式，三種方式各有優缺點。無論采取何種連接方式，都應采用同一批次的LED作為負載，保證LED特性的一致性，降低由于LED電氣特性生差異引發的故障[5]。

4 LED防爆燈要有合理的驅動電源

眾所周知，LED是可長壽命工作的光源，但LED防爆照明燈具是否能夠長壽命穩定工作，還取決于與之相匹配的電源質量。這也是限制很多LED燈具制造廠家的技術瓶頸。因此要保證大功率LED防爆燈具可靠應用，電源的適用性設計不可或缺。 LED防爆燈具在驅動電路設計時必須考慮解決好以下幾個問題。

(1)電源必須具有高可靠性、高效率驅動(電源效率超過90%以上),具有高功率因數； LED防爆燈具在石化行業長期使用,維修很困難,可靠性必須得以保證。高的電源效率,耗損功率自然就小,也就降低了燈具的溫升,對延緩 LED的光衰能提供同步的輔助作用，電源應能提供自動恒功率控制和光通量補償，自動調整功率使用并減少故障率及提高整體系統的穩定度和光通量的輸出。

(2)寬范圍輸入電壓恒功率輸出,電路要具備開路、短路保護、防浪涌保護等功能，當系統出現故障時自動保護，防止光源或電源因系統故障造成元件損壞，當系統故障解除時則停止保護，正常輸出工作，保證燈具的正常使用。 由石油開采、煉油、海洋平臺、鉆井平臺等場所下電壓波動較大,燈具要能滿足在 100～300V范圍內正常工作;LED抗浪涌的能力是比較差的,特別是抗反向電壓能力。這方面的保護在電路設計時也很重要。由于電網負載的頻繁啟用和雷擊的感應,從電網系統會侵入各種浪涌,有些浪涌會導致 LED的損壞。因此 LED驅動電源有抑制浪涌的侵入,保護LED不被損壞的能力。電源除了常規的保護功能外,最好在恒流輸出中增加 LED溫度負反饋,防止LED溫度過高。

(3)電源要具備其他電氣性能;石化行業環境惡劣,燈具要防水、防潮;驅動電源的設計使用壽命要與 LED的壽命相適配;

(4)電源的電磁兼容、諧波含量要求。LED的驅動電源為電子類電源，為了保證應用到現場不會影響其他電子設備的工作，要求驅動電源必須滿足國家標準規定的電磁兼容等性能的要求，附表是華榮科技股份有限公司防爆LED燈電磁兼容及諧波電流限值的部分檢測報告。

圖1 LED燈具諧波

(5)對于Ga保護級別和Gb保護級別的LED防爆燈具，需要考慮LED驅動電源在其正常工作以及故障狀態下，LED的光輻射強度均不會超過標準的限值。可在LED驅動電路的后端設置過流保護電路，以確保驅動電路在任何狀態下流經LED陣列的電流不會超過限值，過流保護電路的可靠性至關重要[6]。過流保護一般應用電流控制環的原理來實現。

5 LED防爆燈光輻射標準的淺析

5.1 光輻射的點燃機理和其標準的保護原理[7]

研究表明，激光、LED、光纖等光輻射對爆炸性環境的點燃機理有以下四種：

圖2 LED燈具電磁兼容

(1)輻射被設備表面或浮塵吸收后，可能會因溫度升高進而達到點燃溫度；

(2)可燃性氣體通過吸收同波段的光波，可能會引起熱點燃；

(3)短波輻射(如紫外線)能光解空氣中的氧，可能引起光-化學點燃；

(4)激光燈強光聚焦可引起氣體衰變導致氣體分解，可能產生引起點燃的能量；

此外，當環境存在吸收物質，如強光聚焦在某固體物質時，會顯著加大點燃的可能；

因此2006年，國際電工委員會根據光輻射對可燃性環境的點燃機理，以及對光輻射點燃的保護原理，發布了IEC 60079-28的標準，并在2015年發布了該標準的第二版。標準規定了對光學設備的結構要求，相應的保護原理，并定義了光輻射保護等級，以及在認證和測試這這些光學設備和光學傳輸系統②的評估與測試方法，以保護和限制用于光輻射的設備和傳輸系統的輻射能量。由此，電氣設備在爆炸性環境中的保護型式由原先的9種增加到了10種③。

5.2 LED燈具的光輻射標準的評判措施和測量方法(光輻射安全評價指標)[7]

由于紫外線光解及氣體原子直接吸收光能的情況極其罕見④，因此，在EN/IEC60079-28的標準中只考慮設備表面、空氣浮塵和強光聚焦在固體材料上的影響，并根據可燃環境最小點燃能量和結合其他的防爆型式，確立了以下7種對LED設備光輻射的適用范圍：

(1)低強度的非陣列而集中的輻射，如指示性質的或背光性質的光源等；

(2)連續且發散的，或保護級別為Gc/Dc級的LED光源；

(3)輻射被限制在封閉(遮光)殼內，且外殼符合相關防爆型式(如隔爆型、正壓型、限制呼吸型、粉塵防護、及IP6X的外殼等)

(4)LED為固有安全元件(輻照度低于5mW/mm2)，可用于所有設備；

選用10只LED顆粒，依此施加電流發光，使主要光束貼近并通過一直徑為3～4mm的圓孔，用光功率計測量光功率，然后逐漸提高電流，使其光功率逐漸升高，直到升至最高點并開始下降，記錄10只LED中測得的最高光功率值。當光功率最高值/通孔面積，求出輻照度，若不超過5mW/mm2，則通過評定。

(5)輻射功率/輻照度限值[7];

測量儀器：光功率計、光譜分析儀，或單色光傳感器等。

測量方法：給光源施加電流，使光束的最強部分通過一面積小于100mm2的孔，測量穿過該孔的光功率，然后求得輻照度值。

①輻射功率低于15mW，或輻照度低于5mW/mm2，可用于所有設備；對驅動要求為四種方式之一：

(a)設備實際電路驅動：根據設備EPL級別，參考本安電路對設備驅動電路進行故障分析，然后輸入理論最大電功率，在設備工作溫度下測量最大光功率；

(b)可調電源驅動：根據設備EPL級別，參考本安電路對電路故障進行分析，然后用可調電源輸入理論最大電功率，在設備工作溫度下測量最大光功率；

(c)可調電源驅動：選10個樣品，然后用可調電源輸入無限制電流，測得最大的光功率

(d)可調電源驅動：以b計算出的最大電功率作為該光源的最大光功率；

②輻射功率低于35mW，可用于IIC/T4或IIB、IIA設備；

一般而言，由于照明燈具的功率遠超過35mW，因此輻射功率限值的意義僅在儀表指示燈之類的設備，但又由于其非陣列的指示用途，可免于參照本標準。

(6)輻射面積限值[7];

①當受輻射表面積超過400mm2時,可通過測量輻射表面最高溫度，用溫度組別的方式替代輻射功率或輻照度的限制。對于LED燈具來說，有專門的光源腔對LED進行保護，不同防爆型式的光源腔，有效光源輻射面位置不同(有效光源輻射面是指直接與可燃物接觸的發光表面)。對于隔爆型“d”、限制呼吸型“nR”以及粉塵防爆的外殼防護型“t”的光源腔，其有效的光源輻射面是在LED燈具的透明件表面。對于本質安全型“i”和無火花型“nA”的光源腔，其有效的光源輻射面在LED的表面。而對于將LED進行澆封的LED燈具，其有效的光源輻射面在澆封復合物的表面。

②當受輻射表面積小于130mm2時,輻射功率的限值最大為400mW；

(7)通過在特定氣體的點燃試驗。

以上評估依據中，對(1)、(2)和(3)條可依據結構評估等方式判定是否符合標準要求，而對(4)、(5)、(6)條又可合并為對光功率/輻照度的測量，而對7)條類似與隔爆點燃原理。

(a)lm是光(準確的說是指可見光)的功率單位，準確的說，是指人眼感覺到的可見光的能量，也叫光通量。可見光的波段為380～780nm，研究表明，人眼對波長為555nm的光(差不多位于可見光的中段，光色黃中偏綠)最敏感，此時1W的電能如果全部轉換為555nm的光，其光通量為683lm,然后隨著波長的偏離，人眼敏感度越來越低。如1W電能完成轉換為500nm的光為221lm,450nm為261lm,而當1W電能全部轉為400nm的光時，光通量還不到0.31lm,已經幾乎看不見了。

(b)光學傳輸設備通常指含光纖設備，光纖設備的保護原理分為結構保護(標志為op pr)，和開蓋連鎖防護(標志為op sh)。

(c)這10種防爆型式依次為：d/e/n/m/o/p/i/q/t和op is/pr/sh.

對于光纖以外的LED燈具或激光等光輻射設備，其保護原理不依賴于其他保護措施，而是從源頭上限制光輻射的能量，具有最高的安全等級，因此也歸于固有安全型，也即光輻射的本質安全型。為了將其與電路的本安型(Ex i)區分開來,故將本標準的防爆標志定為“op is”。

(d)光纖設備而言，其保護措施通常都是采用鋼纜護套包覆，或埋入地下溝渠等方式，由于本文重點在于對LED照明的光輻射標準。

6 結束語

LED防爆燈為爆炸危險場所的人們提供了良好舒適的照明環境、除了有良好的視覺效果外，還應正確評估造成潛在光輻射傷害的可能性，并能預先防范危害的發生。隨著光輻射安全研究的深入和光輻射安全標準的推廣普及，光輻射安全將在越來越多的領域里引起重視，尤其對于照明要求較高的防爆危險環境場所，比如石油開發，煉油，化工、航空照明等，光輻射安全問題已經引起了一定程度的重視。然而安全的保障除了產品本身的性能和質量外，還有賴于合理的選型、正確的使用和維護。希望大家都能遠離危險，擁有安全。